Neue Nanosatelliten-Energielösung erhöht Zuverlässigkeit und Effizienz bei geringeren Kosten
Der Kleinsatellitensektor (Nanosatelliten) wächst aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung, Standardisierung und Kostenreduzierung. Doch entscheidend für den Erfolg – bei der Bereitstellung einer hohen Leistungsfähigkeit für eine Vielzahl von Anwendungen – ist die effiziente und zuverlässige Energiespeicherung. Das EU-finanzierte Projekt MONBASA (Monolithic Batteries for Spaceship Applications) widmete sich der Entwicklung einer Energiespeicherungslösung, die den bestehenden Normen und Vorschriften entspricht, zuverlässig ist, eine hohe Energieeffizienz bietet und dennoch leicht und kompakt ist. Die Forscher entwarfen neue Dünnfilmkomponenten, die für die nächste Generation von wiederaufladbaren Hochspannungs-Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien von entscheidender Bedeutung sind. Da die Standards im Hinblick auf Sicherheit, Robustheit, Energiedichte, Vakuumkompatibilität, Strahlungswiderstand und Betriebstemperaturbereich gewährleistet sind, eignen sich die Batterien ideal für die Anwendung im Weltraum und für andere Bereiche wie z. B. das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT). Den aktuellen Stand der Dinge übertreffen Obgleich Nanosatelliten angesichts stets steigender Zahlen von Entwicklern und Projekten überaus populär geworden sind, war der Ausgangspunkt von MONBASA, dass innovative Energiespeicherungslösungen den Sektor noch stärker beflügeln könnten. Das Team entwickelte zuerst eine Festkörperbatterie, die auf einer Hochspannungs-Elektrodenkopplung und Keramik-Festelektrolyten basierte und die eine weitaus höhere Ionenleitfähigkeit als handelsübliche Elektrolyte bietet. Da die Integration des Festkörper-Elektrolyts erreicht werden muss, um eine funktionsfähige Ganzkörperzelle zu erzeugen, war es von zentraler Bedeutung, den richtigen Kontakt zwischen Kathode und Elektrolyt herzustellen. Zur Analyse der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Batterieschnittstellen wurden die modernsten Analysewerkzeuge angewandt. Die weiteren Schritte bestanden in der Untersuchung der Batterienkompatibilität mit hochmodernen Satellitensensoren wie z. B. mikroelektronischen mechanischen Systemen (MEMS), eine zentrale Technologie für Sensoren und Aktoren in modernen Satelliten. Die Lösung wurde unter weltraumähnlichen Bedingungen geprüft und validiert. „Wir wandten Bearbeitungsmethoden aus der Mikroelektronik und technologischen Glasindustrie an, die mit der Nanosatellitenfabrikation kompatibel sind. Diese waren entscheidend, um hochqualitative Dünnfilm-Lithium-Ionen-Batteriekomponenten zu erzielen, die derzeitige handelsübliche Komponenten übertrafen“, erklärt Projektkoordinator Dr. Miguel Ángel Muñoz. MONBASA hat demonstriert, dass Dünnfilmelektroden, die mit handelsüblichen Flüssigelektrolyten gegengeprüft werden, eine Lebensdauer aufweisen können, die gegenüber konventionellen, handelsüblichen Elektroden eine Größenordnung höher ist. In der Praxis bedeutet dies, dass die aktuellen Lithium-Ionen-Zellen durch den bloßen Austausch der Elektroden verbessert werden könnten. Theoretisch sollte das flüssige Elektrolyt bei hohen Spannungen, die über die MONBASA-Kathode geliefert werden, nicht stabil sein. Die Dünnfilmzelle bewahrte jedoch über mehr als 2 000 Zyklen 80 % ihrer ursprünglichen Leistung, bei hohen Stromraten und nach Integration des Feststoff-Elektrolyts, das bei hohen Spannungen stabil bleibt, wird die Zellleistung sogar noch höher. Im Rahmen des Projekts wurde ebenfalls festgestellt, dass die MONBASA-Bearbeitungsmethode für die negative Elektrode, die gegen ein handelsübliches Referenz-Festelektrolyt bei lediglich 45 °C geprüft wurde, die Leistung konventioneller Zellen mit einer Betriebstemperatur von 70 °C erreichte. Dr. Muñoz fasst zusammen: „Die MONBASA-Festkörper-Batterien haben das Potenzial, die Herausforderungen zu überwinden, denen der Weltraumsektor derzeit hinsichtlich kommerziell erhältlicher Lithium-Ionen-Batterien gegenübersteht.“ Dr. Muñoz führt weiter aus: „Langlebigere Batteriekomponenten werden in weniger Ausfällen und somit in einer längeren Satellitenlebensdauer resultieren. Kleiner dimensionierte Dünnfilm-Hochspannungsbatterien werden kleinere Satelliten ermöglichen, die Kollisionsrisiken senken. Und ein größeres Temperaturfenster wird die Sicherheit und Leistung unter extremen Bedingungen verbessern.“ Gewährleistung und Ausbau kritischer Dienste In ihrer europäischen Raumfahrtstrategie betonte die Europäische Kommission die Bedeutung innovativer Weltraumdaten und -technologien für Dienste, die für das alltägliche Leben der Bürger Europas unverzichtbar sind. Kleine Satelliten sind vor allem für neuartige Anwendungszwecke nützlich, da sie relativ kostengünstig gebaut und gestartet werden können und in einer Vielzahl von Zielmärkten wie z. B Telekommunikation, Landwirtschaft, Transport und Umwelt Möglichkeiten bieten. Diese Dienste tragen zum Schutz und Management der kritischen Infrastruktur bei, stärken die wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit, verwalten die Ressourcen für eine wachsende Bevölkerung und gehen Belastungen durch den Klimawandel an. „Abgesehen von Weltraumsatelliten sind die Projektergebnisse auch für andere Anwendungsbereiche wie die Stromversorgung autonomer Sensoren für das IoT und tragbare Geräte, beispielsweise für die Gesundheitsüberwachung von Interesse.“ Dr. Muñoz weist allerdings darauf hin: „Zukünftige Maßnahmen müssen auf die Optimierung von Schnittstellen fokussiert sein, die die Integration einer Dünnfilm-Kathode mit einem Dünnfilm-Elektrolyt ermöglichen. Parallel dazu sollte die Maßstabsvergrößerung der Komponentenfertigung priorisiert werden.“
Schlüsselbegriffe
MONBASA, Satelliten, Batterie, Elektrolyt, Kathode, Internet der Dinge, Telekommunikation, mikroelektronisch mechanisch, Elektrode, Energiespeicherung, Weltraum